一種用于變電站工作現(xiàn)場(chǎng)的主動(dòng)式多作業(yè)方式的危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)

冉一丁 陳秀紅 吳電寧 陳德坤 周金橋

（1.國(guó)家電網(wǎng)山東送變電工程有限公司 2.武漢映瑞電力科技有限公司）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求日益增高。黨的十九大把安全生產(chǎn)擺在更加突出位置，對(duì)安全生產(chǎn)管理提出了更高標(biāo)準(zhǔn)、更嚴(yán)要求。

近年來(lái)國(guó)家電網(wǎng)公司全面推動(dòng)安全生產(chǎn)管理工作的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，始終把安全生產(chǎn)作為第一責(zé)任、第一工作。電力行業(yè)的發(fā)展和整個(gè)社會(huì)息息相關(guān)，變電站作為電力運(yùn)輸過(guò)程中的重要樞紐，在變電站現(xiàn)場(chǎng)工作中，經(jīng)常會(huì)涉及多家施工單位、監(jiān)理單位等，人員復(fù)雜，環(huán)境復(fù)雜，管理難度大，為了預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)安全意外的發(fā)生，加強(qiáng)電力施工現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)安全管控十分必要。

變電站的工作現(xiàn)場(chǎng)，特別是在新站建設(shè)時(shí)期，危險(xiǎn)區(qū)域較多，常規(guī)的危險(xiǎn)預(yù)警方式有指示牌、電子屏、循環(huán)播放警示語(yǔ)音等被動(dòng)方式，這些方式由于位置固定、方式單一、內(nèi)容重復(fù)等原因，很容易被現(xiàn)場(chǎng)的工作人員忽略，仍然存在造成較大人員傷害風(fēng)險(xiǎn)的可能［1］。

本文基于越寬帶（Ultra Wide Band，UWB）物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行研究，使用雙向測(cè)距 （Two-Way Ranging，TWR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)施工現(xiàn)場(chǎng)的高精度測(cè)距功能，開(kāi)發(fā)出一種主動(dòng)式危險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)。當(dāng)作業(yè)人員進(jìn)入或離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)主動(dòng)播放相應(yīng)的危險(xiǎn)預(yù)警提示語(yǔ)音，提示該工作人員進(jìn)入或者離開(kāi)何種危險(xiǎn)工作區(qū)域；同時(shí)對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的工作人員，將按照一定時(shí)間間隔進(jìn)行周期性預(yù)警語(yǔ)音播報(bào)，使作業(yè)人員能夠及時(shí)了解自己當(dāng)前是否處于危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)變電站作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員的危險(xiǎn)主動(dòng)預(yù)警，本系統(tǒng)的研發(fā)提高了變電站危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人員的安全保障［2］。

1 變電站施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)面臨的問(wèn)題

1.1 針對(duì)變電站建設(shè)階段的危險(xiǎn)預(yù)警解決方案少

針對(duì)建成投產(chǎn)后變電站的危險(xiǎn)管控問(wèn)題，有不少成熟的解決方案，但是針對(duì)處于建設(shè)中的變電站作業(yè)危險(xiǎn)管控問(wèn)題，目前關(guān)注比較少，使用方便且成熟的解決方案不多，但在變電站建設(shè)階段作業(yè)種類(lèi)多、現(xiàn)場(chǎng)工作人員多，管理難度大，需要一種支持變電站建設(shè)階段的危險(xiǎn)預(yù)警解決方案。

1.2 缺乏主動(dòng)式的預(yù)警提示方式

目前在危險(xiǎn)預(yù)警方面，通過(guò)警示牌、循環(huán)播放警示語(yǔ)音提示的方式較為常見(jiàn)，由于方式單一等原因，雖然能起一定的預(yù)警作用，但仍然存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)［3］。非主動(dòng)式危險(xiǎn)預(yù)警的缺點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員無(wú)法準(zhǔn)確、及時(shí)知道自己是否處于危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)內(nèi)以及該危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)是何種危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)。

1.3 缺乏不同危險(xiǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)預(yù)警手段

在變電站建設(shè)時(shí)期，存在動(dòng)火作業(yè)、受限空間作業(yè)、臨時(shí)用電作業(yè)、高處作業(yè)、破土作業(yè)、吊裝作業(yè)等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，不同的作業(yè)方式導(dǎo)致危險(xiǎn)區(qū)域的半徑不一樣，需要根據(jù)作業(yè)性質(zhì)確定危險(xiǎn)區(qū)域半徑大小，而目前缺乏支持根據(jù)不同作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)劃定危險(xiǎn)區(qū)域的解決方案。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 危險(xiǎn)預(yù)警原理

在本文中使用超寬帶 （UWB）和雙向測(cè)距（TWR）技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)預(yù)警器與危險(xiǎn)點(diǎn)基站間的測(cè)距功能，因UWB功耗限制（FCC規(guī)定UWB的功率譜密度小于－41.3dBm／MHz，按照單個(gè)信道500MHz計(jì)算，其信道功率為－14.3dBm），實(shí)測(cè)UWB信號(hào)范圍為10～20m，在本文中將預(yù)警閾值限制為10m之內(nèi)，即可指定10m內(nèi)任一距離為觸發(fā)播報(bào)預(yù)警音頻的閾值。具體表現(xiàn)為：當(dāng)危險(xiǎn)預(yù)警器進(jìn)入危險(xiǎn)點(diǎn)基站的閾值半徑范圍時(shí)，將播報(bào)一次進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)對(duì)應(yīng)的預(yù)警音頻；當(dāng)危險(xiǎn)預(yù)警器離開(kāi)危險(xiǎn)點(diǎn)基站的閾值半徑范圍時(shí)，將播放一次離開(kāi)危險(xiǎn)區(qū)對(duì)應(yīng)的預(yù)警音頻；在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)長(zhǎng)期駐留的危險(xiǎn)預(yù)警器也將間隔一定時(shí)間（如10min）周期性播報(bào)預(yù)警音頻。如圖1所示，危險(xiǎn)預(yù)警器A、C、E在危險(xiǎn)范圍外，不進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，危險(xiǎn)預(yù)警器D已經(jīng)處于危險(xiǎn)范圍內(nèi)，將進(jìn)行間隔一定時(shí)間（如10min）的周期性預(yù)警播報(bào)，危險(xiǎn)預(yù)警器B正從邊界外跨越邊界進(jìn)入或跨越邊界離開(kāi)，將進(jìn)行一次語(yǔ)音播報(bào)。

圖1 危險(xiǎn)預(yù)警地理示意圖

2.2 UWB測(cè)距原理

超寬帶技術(shù)UWB是一種無(wú)線載波通信技術(shù)，它不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。由于UWB可以利用低功耗、低復(fù)雜度發(fā)射／接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，在近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。UWB在非常寬的頻譜范圍內(nèi)采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)而不會(huì)對(duì)常規(guī)窄帶無(wú)線通信系統(tǒng)造成大的干擾，并可充分利用頻譜資源。UWB可以在10m范圍內(nèi)支持高達(dá)110MB／s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的完成數(shù)據(jù)處理。因?yàn)榫哂幸欢ㄏ嗳菪院透咚?、低成本、低功耗等?yōu)點(diǎn)，使得UWB較符合變電站施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理的需求［4-6］。

UWB測(cè)距方式有多種，如雙向測(cè)距、到達(dá)時(shí)間差、到達(dá)相位差，而最為常見(jiàn)且簡(jiǎn)單的是雙向測(cè)距方法，其又分為單邊和雙邊兩種，本系統(tǒng)中由于只需要危險(xiǎn)預(yù)警器獲取距離，而危險(xiǎn)點(diǎn)基站不需要獲取距離，所以在本系統(tǒng)中使用單邊雙向測(cè)距算法（Single-Side Two-Way Ranging，SS-TWR）。

單邊雙向測(cè)距的原理如圖2所示，其測(cè)距流程為：設(shè)備A主動(dòng)發(fā)送（TX）數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳，設(shè)備B接收數(shù)據(jù)之后記錄接收時(shí)間戳；延時(shí)Treply之后，設(shè)備B發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳，設(shè)備A接收數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄接收時(shí)間戳。

圖2 單邊雙向測(cè)距原理

所以可以拿到兩個(gè)時(shí)間差數(shù)據(jù)，設(shè)備A的時(shí)間差Tround和設(shè)備B的時(shí)間差Treply，最終得到無(wú)線信號(hào)的飛行時(shí)間Tprop如下：

兩個(gè)差值時(shí)間都是基于本地的時(shí)鐘計(jì)算得到的，本地時(shí)鐘誤差可以抵消，但是不同設(shè)備之間會(huì)存在微小的時(shí)鐘偏移，假設(shè)設(shè)備A和B的時(shí)鐘偏移分別為eA和eB，因此得到的飛行時(shí)間會(huì)隨著Treply的增加而增加，測(cè)距誤差方程如下：

由式（2）可知，Treply越小，測(cè)距越準(zhǔn)確。另外Treply不僅僅是設(shè)備B接收到發(fā)送的時(shí)間，也包括裝載數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)耗費(fèi)的時(shí)間（UWB除了支持定位之外，也可以傳輸數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)可以裝載128B，擴(kuò)展模式可以裝載1024B數(shù)據(jù)）。典型的誤差關(guān)系（1ns約等于30cm距離誤差）見(jiàn)下表。

表典型的誤差關(guān)系

可以看出，隨著Treply和時(shí)鐘偏移的增加，會(huì)增加飛行時(shí)間的誤差，從而使得測(cè)距不準(zhǔn)確，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析測(cè)距精度達(dá)到0.5m即可滿足危險(xiǎn)預(yù)警目的，使用單邊雙向測(cè)距可達(dá)到此要求。

2.3 定制化主動(dòng)式危險(xiǎn)預(yù)警語(yǔ)音播放原理

首先，將每個(gè)危險(xiǎn)預(yù)警器硬件和危險(xiǎn)點(diǎn)基站硬件按類(lèi)別分別進(jìn)行編碼，賦予唯一硬件ID；接下來(lái)，將變電站多個(gè)存在作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域設(shè)為危險(xiǎn)工作區(qū)，每個(gè)危險(xiǎn)工作區(qū)均可以設(shè)置工作區(qū)半徑，并且每個(gè)危險(xiǎn)工作區(qū)均與危險(xiǎn)點(diǎn)基站的硬件ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)；最后，將變電站內(nèi)危險(xiǎn)工作區(qū)的工作半徑、危險(xiǎn)類(lèi)別信息及關(guān)聯(lián)的危險(xiǎn)點(diǎn)基站硬件ID信息存放于每個(gè)危險(xiǎn)預(yù)警器的TF卡內(nèi)。

這樣一來(lái)，當(dāng)工作人員靠近危險(xiǎn)工作區(qū)后，其佩戴的危險(xiǎn)預(yù)警器將與該危險(xiǎn)工作區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)點(diǎn)基站進(jìn)行通信。危險(xiǎn)預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險(xiǎn)預(yù)警器的硬件ID和危險(xiǎn)預(yù)警器中的系統(tǒng)時(shí)間，危險(xiǎn)點(diǎn)基站收到危險(xiǎn)預(yù)警器發(fā)送的數(shù)據(jù)包后將會(huì)進(jìn)行響應(yīng)，危險(xiǎn)點(diǎn)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含有危險(xiǎn)點(diǎn)基站的硬件ID和危險(xiǎn)點(diǎn)基站收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間和危險(xiǎn)點(diǎn)基站發(fā)送數(shù)據(jù)包的開(kāi)始時(shí)間。危險(xiǎn)預(yù)警器解析收到的危險(xiǎn)點(diǎn)基站發(fā)送的數(shù)據(jù)包，從中解析出危險(xiǎn)點(diǎn)基站ID及用于測(cè)距的參數(shù)，接著根據(jù)測(cè)距算法計(jì)算與危險(xiǎn)點(diǎn)基站的距離，通過(guò)基站ID在本地TF卡內(nèi)查找該危險(xiǎn)工作區(qū)的半徑，然后再將測(cè)距距離與危險(xiǎn)區(qū)工作半徑比對(duì)，即可知道自己是否處在危險(xiǎn)工作區(qū)邊界。通過(guò)多次連續(xù)通信即可判斷當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（如離開(kāi)、進(jìn)入或駐留），并根據(jù)危險(xiǎn)工作區(qū)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)播放TF卡中存放的相應(yīng)預(yù)警語(yǔ)音。定制化主動(dòng)式危險(xiǎn)預(yù)警語(yǔ)音播放流程如圖3所示。

圖3 定制化主動(dòng)式危險(xiǎn)預(yù)警語(yǔ)音播放流程

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由危險(xiǎn)點(diǎn)基站、危險(xiǎn)預(yù)警器、提示語(yǔ)音生成器及管理平臺(tái)組成。

3.1 危險(xiǎn)點(diǎn)基站

危險(xiǎn)點(diǎn)基站是一個(gè)提供危險(xiǎn)預(yù)警器測(cè)距服務(wù)的設(shè)備，該設(shè)備通常固定放置于危險(xiǎn)點(diǎn)中心，當(dāng)有危險(xiǎn)預(yù)警器進(jìn)入到其無(wú)線信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，可提供給危險(xiǎn)預(yù)警器測(cè)距服務(wù)。每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)基站都會(huì)在內(nèi)部定義一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進(jìn)行身份識(shí)別。

危險(xiǎn)點(diǎn)基站支持室內(nèi)外不同復(fù)雜環(huán)境、不同場(chǎng)景精度要求的部署安裝，用于標(biāo)識(shí)危險(xiǎn)區(qū)域。

危險(xiǎn)點(diǎn)基站的主要部件為CPU、UWB模塊、撥碼開(kāi)關(guān)、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈。主要操作邏輯由CPU進(jìn)行，主要提供給預(yù)警器測(cè)距服務(wù)，其長(zhǎng)時(shí)間處于監(jiān)聽(tīng)無(wú)線信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)收到預(yù)警器的測(cè)距請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)行回復(fù)；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；撥碼開(kāi)關(guān)用于給該基站設(shè)置編號(hào)；LED指示燈用于指示設(shè)備充電和運(yùn)行狀態(tài)。危險(xiǎn)點(diǎn)基站原理框圖如圖4所示。

圖4 危險(xiǎn)點(diǎn)基站原理框圖

3.2 危險(xiǎn)預(yù)警器

當(dāng)佩戴了安裝危險(xiǎn)預(yù)警器安全帽的作業(yè)人員靠近施工作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，危險(xiǎn)預(yù)警器就會(huì)自動(dòng)播放自定義的危險(xiǎn)提示語(yǔ)音。每個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)基站都會(huì)在內(nèi)部定義一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)唯一的ID作為其硬件ID，用于在通信中進(jìn)行身份識(shí)別。

危險(xiǎn)預(yù)警器主要部件為CPU、UWB模塊、音頻功放、喇叭、TF卡／Flash存儲(chǔ)器、鋰電池、電池充電／電源管理、LED指示燈危險(xiǎn)預(yù)警器主要部件，如圖5所示。主要操作邏輯由CPU進(jìn)行，其負(fù)責(zé)操作UWB模塊進(jìn)行TWR測(cè)距，并根據(jù)距離閾值條件播放語(yǔ)音文件；鋰電池和電池充電／電源管理電路，用于給其他部分供電；TF卡／Flash存儲(chǔ)器，用于存放危險(xiǎn)區(qū)域信息及與危險(xiǎn)點(diǎn)基站唯一ID相對(duì)應(yīng)的預(yù)警音頻文件，音頻名與危險(xiǎn)點(diǎn)基站編號(hào)一致，如I1.wav對(duì)應(yīng)進(jìn)入1號(hào)基站危險(xiǎn)區(qū)時(shí)播放的音頻，O3.wav對(duì)應(yīng)離開(kāi)3號(hào)基站危險(xiǎn)區(qū)時(shí)播放的音頻，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)的主動(dòng)式定制化提示語(yǔ)音；LED指示燈用于指示設(shè)備充電和運(yùn)行狀態(tài)。

圖5 危險(xiǎn)預(yù)警器主要部件

3.3 提示語(yǔ)音生成器

提示語(yǔ)音生成器則提供自定義危險(xiǎn)提示語(yǔ)音生成功能（界面如圖6所示），它可以實(shí)現(xiàn)將文字轉(zhuǎn)換成危險(xiǎn)預(yù)警器系統(tǒng)能播放的語(yǔ)音格式。

圖6 提示語(yǔ)音生成器界面

4 結(jié)束語(yǔ)

在本研究中通過(guò)對(duì)UWB相關(guān)技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)基于UWB協(xié)議通信和高精度測(cè)距，從而達(dá)到在變電站建設(shè)階段對(duì)施工作業(yè)人員進(jìn)行高精度定位和智能化主動(dòng)語(yǔ)音風(fēng)險(xiǎn)提示。系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)部署方便，續(xù)航時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求。佩戴危險(xiǎn)預(yù)警器的工作人員能夠及時(shí)自己進(jìn)入、離開(kāi)何種各種危險(xiǎn)工作區(qū)域，對(duì)于在危險(xiǎn)工作區(qū)域作業(yè)的工作人員也能按照一定時(shí)間間隔獲取到自己的所在危險(xiǎn)工作區(qū)域信息，保證了工作人員能夠及時(shí)了解當(dāng)前作業(yè)區(qū)域是否存在某種作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，能夠提高人員安全指數(shù)，為變電站施工作業(yè)人員的人身安全添加了一重保障。本系統(tǒng)的的應(yīng)用既可以解決變電站建設(shè)階段的作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警問(wèn)題，還可以解決變電站投運(yùn)階段的運(yùn)維檢修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。